高鐵牽引變電所保護雙重化設計及應用案例

常 鵬，常占寧

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高鐵牽引變電所保護雙重化設計及應用案例

常 鵬，常占寧

闡述了高鐵牽引變電所保護實行雙重化配置的原因，介紹了蘭新高鐵牽引變電所進線保護和牽引變壓器保護雙重化的現狀，并對現場故障案例進行了分析。

高速鐵路；牽引變電所；繼電保護；雙重化

0 引言

自1961年我國第一條普速電氣化鐵路寶成鐵路寶鳳段開通，牽引變電所進線電源即采用了 110 kV電壓等級接入地方電網的模式，后續建設的電氣化鐵路均沿用了這一模式。高速鐵路因速度高、牽引負荷大、可靠性高等特點，要求牽引變電所外部電源容量足夠大，因此，為了提高牽引供電電能質量并減小單相牽引負荷對三相電力系統電能質量的影響，牽引變電所外部電源應盡量選擇較高的電壓和較大的短路容量。我國高速鐵路發展初期選擇了220 kV電壓等級電源做為牽引變電所的進線電源；在高速鐵路設計規范中也做出了明確規定：供電電源應采用220 kV或以上電壓等級。

西北電網主干網絡電壓采用330 kV，因此蘭新高鐵甘肅省、青海省內牽引變電所外部電源采用了330 kV電壓等級供電。該供電方式的優點是系統容量大、電壓穩定，有利于減少電源線路的損耗，總體供電質量優于110 kV系統，但也帶來了高電壓等級對牽引變電所更高的技術要求等問題。

1 高鐵牽引變電所保護雙重化配置的要求

在系統發生故障時繼電保護不能可靠動作，將會直接威脅電網的安全穩定運行，嚴重時甚至會給電網帶來災難性的打擊，裝設雙套保護是提高重要線路和設備繼電保護可靠性的較好辦法。

《繼電保護和安全自動裝置技術規程》（GB14285-2006）規定330～500 kV線路應按下列原則實現主保護雙重化：一是設置兩套完整、獨立的全線速動主保護；二是兩套全線速動保護的交流電流、電壓回路和直流電源互相獨立；每套線路速動保護應分別動作于斷路器的一組跳閘線圈；當斷路器具有兩組跳閘線圈時，兩套保護宜分別動作于斷路器的兩組跳閘線圈。高速鐵路設計規范11.3.12條要求繼電保護的配置應符合下列規定：繼電保護設計除鐵路特殊要求外，應符合《繼電保護和安全自動裝置技術規程》GB/T 14285的有關規定。2000年國家電力公司發布了《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》，其中20.1.4條規定：為提高繼電保護的可靠性，對重要的線路和設備必須堅持設立兩套互相獨立的主保護原則，并且兩套保護為不同原理和不同廠家的產品。《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（國家電網生[2012]352號）15.2.1.7條規定：330 kV以上電壓等級輸變電設備的保護應按雙重化配置。

《防止電力生產事故的二十五項重點要求》（國能安全[2014]161號）規定雙重化配置的繼電保護應滿足以下要求：兩套保護裝置中的每套保護均應含有完整的主、后備保護，能反映被保護設備的各種故障及異常狀態，并能作用于跳閘或發出信號；采用雙重化配置的兩套保護裝置應安裝在各自保護柜內，并應充分考慮運行和檢修時的安全性；有關斷路器的選型應與保護雙重化配置相適應，220 kV及以上斷路器必須具備雙跳閘線圈機構。兩套保護裝置的直流電源應取自不同蓄電池組供電的直流母線段。

雙套主保護采用相同廠家的同一產品可使備品備件相對簡化，但采用不同原理和不同廠家的產品可形成互補，以防止由于保護裝置設計考慮不周而造成保護拒動現象。

2 蘭新高鐵變電所保護雙重化設計

蘭新高鐵牽引變電所繼電保護及自動裝置設置原則：330 kV電壓等級保護除非電量保護外，均按雙套保護配置。繼電保護基本按照以下要求進行配置：兩套保護裝置與其他保護、設備配合的回路遵循相互獨立的原則，兩套保護裝置的交流電流分別取自電流互感器互相獨立的繞組，交流電壓分別取自電壓互感器互相獨立的繞組，兩套保護裝置的跳閘回路與斷路器的兩個跳閘線圈分別一一對應；兩套保護之間沒有任何電氣聯系，防止因交叉停用導致保護功能缺失，當一套保護裝置退出時不影響另一套保護裝置的運行。

2.1 進線保護

110 kV及以下的高壓線路保護絕大部分采用電流保護或距離保護，保護僅反應線路一側的電氣量，不能區分本線末端和對側母線（或相鄰線始端）故障，只有反應線路兩側的電氣量才能區分上述2點故障。為了達到有選擇性地快速切除全線故障的目的，需要將線路一側電氣量的信息傳輸到另一側，也就是在線路兩側之間發生縱向聯系，該保護稱為輸電線的縱聯保護，可以速動保護全長線路。按照保護動作原理，縱聯保護可分為2類：方向比較式縱聯保護和縱聯電流差動保護，方向比較式縱聯保護以線路兩側方向元件的動作行為作為動作判據，縱聯電流差動保護是以線路兩側電流間的相量（相位和幅值）關系作為動作判斷依據。

光纖電流差動保護原理：隨著光纖通信技術的發展，數字信號的傳輸速率已達到可以快速準確的傳送三相電流的采樣值，相當于將線路兩側的電流互感器二次側連接起來。光纖分相電流差動保護借助線路光纖通道，實時地向對側傳遞采樣數據，如圖1所示，線路兩側采樣數據借助于高壓線路光纖通道實時進行數據交換，各側保護利用本地和對側電流數據按相進行差動電流計算，比較被保護線路兩側各相的電流大小與相位，對正常運行、區內故障、區外故障作出判別。

圖1 光纖差動保護原理圖

蘭新高鐵甘肅及青海省境內牽引變電所采用330 kV進線，雙回路電源引入。牽引變電所的 330 kV電源進線設失壓保護，電源母線間不設母聯隔離開關，330 kV牽引變電所線路均根據電力部門要求配置了2套光纖電流差動保護作為線路的主保護，并配置信息采集裝置上傳地方電調。為了實現“由不同的保護動作原理、不同廠家的硬件結構構成”的雙重化保護配置，其中一套牽引變電所進線保護裝置采用了許繼電氣有限公司的GXH803A-201G光差保護柜（WGQ-871微機故障啟動裝置、WXH-803/A數字式電流差動保護裝置），包含以光纖電流差動為主體的全線速動主保護，由三段式相間和接地距離保護等構成的后備保護；另一套采用的是北京四方繼保自動化股份有限公司的CSC-103A（B）線路保護裝置，其主保護為縱聯電流差動保護，后備保護為三段式距離保護、四段式零序電流保護等，個別所采用了南京南瑞繼保電氣有限公司的PRC31BM-54型光纖分相電流差動保護柜（RCS-931數字式線路保護裝置、RCS-925遠跳過電壓保護裝置）與北京四方保護裝置的組合。

高壓線路保護采用雙重化配置的目的是防止保護裝置由于元器件的損壞而造成保護拒動，如果2套裝置由于原理不完善造成保護拒動，將不能達到雙重化配置的目的。2套裝置在動作特性上均采用了比率制動原理，目前差動保護不同原理主要體現在制動特性不同，有二段式也有三段式，各廠家內部算法也各不相同，但實質上2套裝置就保護原理來說是相同的，其動作邏輯也是一樣的，只是在動作范圍內的靈敏度上有所區別。

2.2 牽引變壓器保護

牽引變壓器綜合自動化功能配置的基本要求：牽引變電所綜合自動化系統采用分層分布式結構，集中組盤安裝方式。系統由站級管理層、通信層、間隔層3部分設備組成。間隔層設備包括雙套主變壓器保護裝置和雙套主變壓器后備保護裝置。

蘭新高鐵采用的是2臺單相變壓器組成VV接線的線路變壓器組形式。330 kV牽引變壓器設置的差動保護、高低壓側低電壓啟動過電流保護、過負荷保護均按雙套配置。本體設置的輕重瓦斯、油溫一段二段、壓力釋放等保護除外，其中過負荷、輕瓦斯、油溫一段作用于發出信號，其余作用于跳閘。牽引變電所330 kV進線側電流互感器采用8個二次線圈，1個用于計量，1個用于測量，6個用于保護。330 kV斷路器設有2套相同而又各自獨立的分閘裝置，每1套分閘裝置動作時或2套裝置同時動作時均應保證設備的機械特性。

蘭新高鐵牽引變電所牽引變壓器采用了天津凱發電氣股份有限公司（下文簡稱天津凱發）的DK3530A保護裝置和南京自動化股份有限公司（下文簡稱南自公司）的WBZ-65A保護裝置，實現了主變保護雙重化配置。差動保護由比率差動保護和差動速斷保護2個元件組成，均采用了三折線比率制動原理。其特性曲線如圖2。

圖2 比率差動保護特性曲線圖

2.2.1 比率差動保護

比率制動特性用以避開電流互感器產生的誤差，防止勵磁涌流可能導致的差動保護誤動。天津凱發保護裝置的比率差動閉鎖判據有差動電流二次、三次、五次諧波閉鎖、低壓側相電流二次諧波閉鎖，二次電流的方向設定為流出方向為正方向。南自公司保護裝置差動判斷依據是高低壓側對應的兩相電流的矢量差，因此，要求高低壓側電流互感器極性應保持同名端輸入。

2.2.2 差動速斷保護

弓網拉弧或機車投斷負載及變壓器內部故障，使差動電流中含有較大的二次分量，易導致保護延時甚至拒動，為此增設了差動速斷保護裝置。天津凱發的保護裝置在檢測到某一相差動電流大于本相的差動電流速斷定值時，瞬時動作出口，快速切除變壓器區內發生的嚴重故障。

牽引變壓器主保護采用不同勵磁涌流鑒別原理的比率差動保護和故障分量差動保護、差動速斷保護和重瓦斯保護。配置2套相同的低壓啟動過流保護為后備保護。輕瓦斯、油位、溫度等非電量保護未實行雙重化配置。

由于同一廠家同一批次產品在原理設計、器件選型、加工工藝等過程中可能存在一定的不合理性，在某些情況下可能2套裝置同時失效，使系統失去保護。鑒于此實際情況，在目前尚未具備更為理想和完善的保護裝置的情況下，采用不同保護原理和不同生產廠家的2套保護作為雙重化配置有利于性能互補，提高保護的可靠性。

3 牽引變電所保護雙重化動作案例

2015年5月5日11時11分25秒105毫秒，丹霞牽引變電所主變壓器壓力釋放動作，102、203、204斷路器跳閘，當時運行方式為2號進線3#、4#主變運行，1號進線1#、2#主變熱備。由于主變二次側F相電流互感器絕緣擊穿炸裂，導致運行系統27.5 kV側F1母線近端金屬性短路接地，處于熱備狀態的1#系統牽引變壓器的330 kV側電流互感器中無電流通過，2×27.5 kV側電流互感器經母線帶電，造成1#主變差動保護出口動作。故障報告顯示2015-05-05 11:11:25.105丹霞牽引變電所南自1#變壓器保護裝置差動出口動作。

對該變壓器2套保護裝置分別進行動作可靠性試驗，經驗證2套保護裝置均能可靠動作，變壓器差動保護動作試驗報告見表1。表1中設備名稱顯示為“1號變壓器保護裝置”的是國電南京自動化股份有限公司的變壓器保護試驗情況，設備名稱為“1與2號變差動保護裝置”的是天津凱發電氣股份有限公司的變壓器保護試驗情況。

表1 變壓器差動保護動作試驗報告表

2015年11月20日16時14分53秒582毫秒，青沙灣牽引變電所2號主變低壓側202斷路器跳閘,低壓側過流出口，綜自后臺發出的報文見表2和表3。

表2 青沙灣牽引變電所事故記錄表

表3 青沙灣牽引變電所故障報告表

2016年9月22日JMC變電所合102斷路器時合閘失敗，發出“3號變測控保護裝置差動保護”、“4號變測控保護裝置差動保護”事故報警，對3、4號主變的南自及凱發差動保護裝置進行測量及保護回路校驗，測量顯示及保護出口均正常，后臺機只有南自裝置給出的報告而無凱發裝置發出的報告，在裝置上進行查找發現凱發裝置保護啟動但未出口跳閘。

4 結語

高鐵牽引變電所采用的是雙電源、雙回路受電，牽引變壓器采用固定備用方式并具備自動投切功能，無論是進線還是變壓器發生故障，都能夠通過切換投入到備用系統運行，牽引變壓器是否按雙重化原則配置存在爭議。隨著高鐵供電技術的發展，在盡量遵循電力系統保護設置原則的基礎上，優化牽引變電所保護配置方案，使之得到進一步的改善。

[1] GB14285-2006 繼電保護及安全自動裝置技術規程[S].

[2] 陸琛杰. 高壓線路光纖電流差動保護雙重化配置的探討[J]. 寧波化工，2008，（1）：24-27.

[3] 國能安全[2014]161號防止電力生產事故的二十五項重點要求[S].

[4]國家電網生[2012]352號國家電網公司十八項電網重大反事故措施[S].

[5] 魏建忠. 高速鐵路牽引變壓器保護雙重化配置方案[J].科技創新與應用，2015，（8）：110-110.

[6] TB10621-2014 高速鐵路設計規范[S].

The paper illustrates reasons for dual configuration for protection of traction substation of high speed railway, introduces present situations of incoming line protection and dual configuration for protection of traction transformers, and analyzes cases of site failures.

High speed railway; traction substation; relay protection; dual configuration

U224.4

B

1007-936X(2017)02-0005-04

常 鵬.國網寧夏電力公司檢修公司，工程師，電話：13669389463；常占寧.蘭州鐵路局供電處，高級工程師。

2016-05-19